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1、abaqus中显示动力学分析步骤准静态分析 ABAQUS/Explicit准静态过程(guasi-static process )dt在过程进行的每一瞬间， 系统都接近于平衡状态， 以致在任意选取的短时间内，状态参量在整个系统的各部分都有确定的值，整个过程可以看成是由一系列极接近平衡 的状态所构成，这种过程称为 准静态过程。无限缓慢地压缩和无限缓慢地膨胀过程可近似看作为准静态过程。准静态过程是一种理想过程，实际上是办不到的。准静态原为一个热力学概念，在这里引用主要是指模型在加载的过程中任意时 刻所经历的中间状态都可近似地视为静力状态，因此当加载过程进行得无限缓慢时，在各个 时刻模型所处的状态就

2、可近似地看作是静态，该过程便是准静态过程。准静态啮合过程仿真 主要考虑的是弧齿锥齿轮副在加载时的接触状态，以及齿面和齿根的应力变化规律，其前提 是不考虑齿轮副惯性的影响。ABAQUS/Explicit 准静态分析显式求解方法是一种真正的动态求解过程，它的最初发展是为了模拟 高速冲击问题在这类问题的求解中惯性发挥了主导性作用。当求解动力平衡的状态时，非平衡力以应力波 的形式在相邻的单元之间传播。由于最小稳定时间增量一般地是非常小的值，所以大多少问 题需要大量的时间增量步。在求解准静态问题上，显式求解方法已经证明是有价值的，另外 ABAQUS/Explicit求解某些类型的静态问题方面比 ABAQ

3、US/Standard更容易。在求解复杂的接触问题时，显式过程相对于隐式过程的一个优势是更加容易。此外，当模型很大时，显式过程比隐式过程需 要较少的系统资源。将显式动态过程应用于准静态问题需要一些特殊的考虑。根据定义，由于一个静态求 解是一个长时间的求解过程，所以在其固有的时间尺度上分析模拟常常在计算上是不切合实 际的，它将需要大量的小的时间增量。因此，为了获得较经济的解答，必须采取一些方式来 加速问题的模拟。但是带来的问题是随着问题的加速，静态平衡的状态卷入了动态平衡的状 态，在这里惯性力成为更加起主导作用的力。 目标是在保持惯性力的影响不显著的前提下用最短的时间进行模拟。准静态( Quas

4、i-static )分析也可以在 ABAQUS/Standard 中进行。当惯性力可以忽略 时，在 ABAQUS/Standard 中的准静态应力分析用来模拟含时间相关材料响应(蠕变、膨胀、 粘弹性和双层粘塑性)的线性或非线性问题。关于在 ABAQUS/Standard 中准静态分析的更多 信息，请参阅 ABAQUJ分析用户手册(ABAQUSXnalysis User s Manual)的第节Quasi -static analysis ”。1. 显式动态问题类比假设两个载满了乘客的电梯。 在缓慢的情况下， 门打开后你步入电梯。 为了腾出空间， 邻近门口的人慢慢地推他身边的人，这些被推的人再去

5、推他身边的人，如此继续下去。这种 扰动在电梯中传播，直到靠近墙边的人表示他们无法移动为止。一系列的波在电梯中传播， 直到每个人都到达了一个新的平衡位置。如果你稍稍加快速度，你会比前面更用力地推动你 身边的人，但是最终每个人都会停留在与缓慢的情况下相同的位置。在快速情况下，门打开后你以很高的速度冲入电梯，电梯里的人没有时间挪动位置来 重新安排他们自己以便容纳你。你将会直接地撞伤在门口的两个人，而其他人则没有受到影 响。对于准静态分析，实际的道理是同样的。分析的速度经常可以提高许多而不会严重地 降低准静态求解的质量；缓慢情况下和有一些加速情况下的的最终结果几乎是一致的。但是， 如果分析的速度增加到

6、一个点，使得惯性影响占主导地位时，解答就会趋向于局部化，而且 结果与准静态的结果是有一定区别的 。2. 加载速率一个物理过程所占用的实际时间称其为它的固有时间( nature time )。对于一个准静态过程在固有时间中进行分析，我们一般能得到准确的静态结果。毕竟，如果实际事件真 实地发生在其固有时间尺度内，并在结束时其速度为零，那么动态分析应该能够得到这样的 事实，即分析实际上已经达到了稳态。你可以提高加载速率使相同的物理事件在较短的时间 内发生，只要解答保持与真实的静态解答几乎相同，而且动态效果保持是不明显的。光滑幅值曲线对于准确和高效的准静态分析， 要求施加的载荷尽可能地光滑 。突然、急

7、促的运动会 产生应力波，它将导致振荡或不准确的结果。以可能最光滑的方式施加载荷要求加速度从一 个增量步到下一个增量步只能改变一个小量。如果加速度是光滑的，随其变化的速度和位移 也是光滑的ABAQUS有一条简单、固定的光滑步骤( smooth step )幅值曲线，它自动地创建一条光滑的载荷幅值。当你定义一个光滑步骤幅值曲线时， ABAQUSi动地用曲线连接每一组数据对，该曲线的一阶和二阶导数是光滑的，在每一组数据点上，它的斜率都为零。由于这些一 阶和二阶导数都是光滑的，你可以采用位移加载，应用一条光滑步骤幅值曲线，只用初始的 和最终的数据点，而且中间的运动将是光滑的。使用这种载荷幅值允许你进行

8、准静态分析而 不会产生由于加载速率不连续引起的波动。结构问题在静态分析中，结构的最低模态通常控制着结构的响应。如果已知最低模态的频率和 相应的周期，你可以估计出得到适当的静态响应所需要的时间。为了说明如何确定适当的加 载速率，考虑在汽车门上的一根梁被一个刚性圆环从侧面侵入的变形，实际的实验是准静态 的。采用不同的加载速率，梁的响应变化很大。以一个极高的碰撞速度为 400m/s，在梁中的变形是高度局部化的。为了得到一个更好的准静态解答，考虑最低阶的模态。最低阶模态的频率大约为 250Hz，它对应于4ms的周期。应用在 ABAQUS/Standard中的特征频率提取过程可以容易地计算自然频率。为了

9、使梁在 4ms内发生所希望的的变形，圆环的速度为50m/s。虽然50m/s似乎仍然像是一个高速碰撞速度， 而惯性力相对于整个结构的刚度已经成为次要的了，变形形状显示了很好的准静态响应。虽然整个结构的响应显示了我 们所希望的准静态结果，但 通常理想的是将加载时间增加到最低阶模态的周期的 10 倍以确保解答是真正的准静态 。为了更进一步地改进结果，刚环的速度可能会逐渐增大，例如应用一 条光滑步骤幅值曲线，从而减缓初始的冲击。金属成形问题为了获得低成本的求解过程，人为地提高成型问题的速度是必要的，但是，我们能够 把速度提高多少仍可以获得可接受的静态解答呢？如果薄金属板毛坯的变形对应于其最低阶 模态的

10、变形形状，可以应用最低阶结构模态的时间周期来指导成型的速度。然而在成型过程 中，刚性的冲模和冲头能够以如此的方式约束冲压，使坯件的变形可能与结构的模态无关。在这种情况下，一般性的建议是 限制冲头的速度小于 1%的薄金属板的波速 。对于典型的成型 过程，冲头速度是在 1m/s的量级上，而钢的波速大约为 5000m/s。因此根据这个建议，一个 50 的因数为冲头提高速度的上限。为了确定一个可接受的冲压速度，建议的方法包括以各种变化的冲压速度运行一系列的分析，这些速度在 3m/s 至 50m/s 的范围内。由于求解的时间与冲压的速度成反比，运行分 析是以冲压速度从最快到最慢的顺序进行。检查分析的结果

11、，并感受变形形状、应力和应变 是如何随冲压速度而改变的。冲压速度过高的一些表现是与实际不符的、局部化的拉伸与变 薄，以及对起皱的抑止。如果你从一个冲压速度开始，例如 50m/s ，并从某处减速，在某点上从一个冲压速度到下一个冲压速度的解答将成为相似的，这说明解答开始收敛于一个准静态 的解答。当惯性的影响成为不明显时，在模拟结果之间的区别也是不明显的。随着人为地增加加载速率，以逐渐和平滑的方式施加载荷成为越来越重要的方式。例 如，最简单的冲压加载方式是在整个成型过程中施加一个定常的速度。在分析开始时，如此 加载会对薄金属板坯引起突然的冲击载荷，在坯件中传播应力波并可能产生不希望的结果。 当加载速

12、率增加时，任何冲击载荷对结果的影响将更加明显。 应用光滑步骤幅值曲线，使冲 压速度从零逐渐增加可以使这些不利的影响最小化 。回弹回弹经常是成型分析的一个重要部分，因为回弹分析决定了卸载后部件的最终形状。尽管 ABAQUS/Explicit 十分适合于成型模拟，对回弹分析却遇到某些特殊的困难。在 ABAQUS/Explicit 中进行回弹模拟最主要的问题是需要大量的时间来获得稳态的结果。 特别是 必须非常小心地卸载，并且必须引入阻尼以使得求解的时间比较合理。幸运的是，在ABAQUS/Explicit 和 ABAQUS/Standard 之间的紧密联系允许一种更有效的方法。由于回弹过程不涉及接触，

13、而且一般只包括中度的非线性，所以 ABAQUS/Standard 可 以求解回弹问题，并且比 ABAQUS/Explicit 求解得更快。因此，对于回弹分析更偏爱的方法 是将完整的成型模型从 ABAQUS/Explicit 输入（ import ）到 ABAQUS/Standard 中进行。3. 质量放大质量放大 （mass scaling ）可以在不需要人为提高加载速率的情况下降低运算的成本。 对于含有率相关材料或率相关阻尼（如减震器）的问题，质量放大是惟一能够节省求解时间 的选择。在这种模拟中，不要选择提高加载速度，因为材料的应变率会与加载速率同比例增 加。当模型的参数随应变率变化时，人为

14、地提高加载速率会人为地改变了分析的过程。人为地将材料密度增加因数倍，则波速就会降低因数 f 倍，从而稳定时间增量将提高因数 f 倍。注意到当全局的稳定极限增加时，进行同样的分析所需要的增量步就会减少，而 这正是质量放大的目的。但是，放大质量对惯性效果与人为地提高加载速率恰好具有相同的 影响。因此，过度地质量放大，正像过度地加载速率，可能导致错误的结果。为了确定一个 可接受的质量放大因数，所建议的方法类似于确定一个可接受的加载速率放大因数。两种方 法的唯一区别是 与质量放大相关的加速因子是质量放大因数的平方根，而与加载速率放大相 关的加速因子是与加载速率放大因数成正比 。例如，一个为 100 倍

15、的质量放大因数恰好对应 于 10 倍的加载速率因数。通过使用固定的或可变的质量放大，可以有多种方法来实现质量放大编程。质量放大的定义也可以随着分析步而改变，允许有很大的灵活性。详细的内容请参阅 ABAQUA分析用户手册第节“ Mass scaling ”。4. 能量平衡 评估模拟是否产生了正确的准静态响应，最具有普遍意义的方式是研究模型中的各种 能量。下面是在 ABAQUS/Explicit 中的能量平衡方程：Etotal=EI+EV+EKE+EFD+EW式中，EI是内能（包括弹性和塑性应变能） ，EV是粘性耗散吸收的能量，EKE是动能,EFD是摩擦耗散吸收的能量， EW是外力所做的功，Eto

16、tal是在系统中的总能量。如果模拟是准静态的，那么外力所做的功是几乎等于系统内部的能量。除非有粘弹性 材料、离散的减震器、或者使用了材料阻尼，否则粘性耗散能量一般地是很小的。由于在模 型中材料的速度很小，所以在准静态过程中，我们已经确定惯性力可以忽略不计。由这两个 条件可以推论，动能也是很小的。作为一般性的规律，在大多数过程中， 变形材料的动能将不会超过它的内能的一个小的比例 （典型的为 5%到 10%）。当比较能量时，请注意 ABAQUS/Explicit 报告的是整体的能量平衡，它包括了任何含 有质量的刚体的动能。由于当评价结果时我们只对变形体感兴趣，当评价能量平衡时我们应 在 Etota

17、l 中扣除刚体的动能。例如，如果你正在模拟一个采用滚动刚体模具的传输问题，刚体的动能可能占据模型 整个动能的很大部分。在这种情况下，你必须扣除与刚体运动有关的动能，然而才可能做出 与内能有意义的比较。5.例题： ABAQUS/Explicit 凹槽成型修改由 ABAQUS/Standard 分析所创建的模型， 这样才能在 ABAQUS/Explicit 中运行它。 这些修改包括在材料模型中增加密度，改变单元库，并改变分析步。为了获得正确的准静态 响应，在运行 ABAQUS/Explicit 分析前，你将应用在 ABAQUS/Standard 的频率提取过程来确 定所需要的计算时间。前处理应用

18、ABAQUS/Explicit 重新运算模型 对于一个准静态过程，如果我们知道了坯件的最低阶固有频率，即基（ fundamental ） 频，我们就可以确定分析步时间的一个大致的下限。一种获得这个信息的方法是在ABAQUS/Standard 中运行频率分析。 在这个成型分析中， 冲压对坯件产生的变形类似于它的最 低阶模态。因此，如果你想模拟整个结构而并非局部的变形，选择第一个成型阶段的时间是 大于或等于坯件最低阶模态的周期是十分重要的。运行一个固有频率提取过程：1.将已存在的模型复制成为一个新的模型，命名为 Frequency，并对Fequency模型进行如下全面的修改：在频率提取分析中，你将

19、用一个单独的频率提取分析步取代现在所有的分析 步。此外，你将删除所有的刚性工具和接触相互作用；它们与确定毛坯的基频无关。2在Property 模块中，为 Steel材料模型增加一个 7800的密度。3在Assembly模块中，删除冲模、冲头和夹具部件的实体。对于频率分析并不需要这些刚 体部件。（提示：你可以从工具箱中采用 Delete 工具删除这些部件。）4进入Step模块，用一个单独的频率提取分析步替代现存的所有分析步。a.在 Step Manager（分析步管理器） 中，删除分析步 RemoveRight Constraint 、Holder Force、 Establish Contac

20、t II 和 Move Runch 。b.选择分析步 Establish Contact I ，并点击 Replace 。c.在 Repalce Step （替换分析步）对话框中，从 Linear Parturbation 过程列表中选择 Frequency ，键入分析步描述为 Frequency modes ；选择 Lanczos 特征值选项，并要求五个特 征值。重新命名分析步为 Extract Frequencies 。d. 取消 DOF Monitor （自由度监视器）选项。（注意：由于频率提取分析步是一个线性扰动过程，将忽略材料的非线性性质。在这个分析 中，坯件的左端约束沿 x- 方向

21、的位移和绕法线的转动；但是，没有约束沿 y- 方向的位移。因 此，提取的第一阶模态将是刚体模态。对于在 ABAQUS/Explicit 中的准静态分析，第二阶模 态的频率将确定合适的时间段。）在 Interaction 模块，删除所有的接触相互作用。进入 Load 模块，在 BC Manager （边界条件管理器）中检查在 Extract Frequencies 分析步中的边界条件。除了边界条件名称 CenterBC 以外，删除所有的边界条件。将这个留下的采 用了对称边界条件的毛坯约束施加到左端。7. 在创建和提交作业前，如果有必要则重新剖分网格。8. 进入 Job 模块，创建一个作业， 命名

22、为 Forming-Frequency ，采用如下的作业描述： Channelforming - - frequency analysis 。提交作业进行分析，并监控求解过程。9.当分析完成时，进入 Visualizatio n 模块，并打开由这个作业创建的输岀数据库文件。从主菜单栏中，选择 Plot-Deformed Shape ；或者应用在工具箱中的工具。绘制岀一阶屈曲模态的模型变形形状。进一步绘岀毛坯的二阶模态，将未变形的模型形状叠加在模型变形图上。频率分析表明坯件有一个 140 Hz 的基频，对应的周期为 s 。对于成型分析，我们现 在知道最短的分析步时间为 s 。创建 ABAQUS/

23、Explicit 成型分析成型过程的目标是采用的冲头位移准静态地成型一个凹槽。在选择准静态分析的加载 速率时，建议你在开始时用较快的加载速率，并根据需要减小加载速率，更快地收敛到一个 准静态解答。然而，如果你希望在你的第一次分析尝试中就增加能够得到准静态结果的可能 性，你应当考虑分析步时间是比相应的基频缓慢 10到 50倍的因数。在这个分析中，对于成 型分析步，你将从的时间开始。这是基于在 ABAQUS/Standard 中进行的频率分析，它显示岀 毛坯具有 140Hz 的基频，对应于的时间周期。这个时间周期对应于 m/s 的常数冲头速度。你将仔细地检查动能和内能的结果，以检验结果中并没有包含

24、显著的动态影响。将 Standard 模型复制成一个新模型，命名为 Explicit 。如果必要，通过从位于工具 栏下方的 Model （模型）列表中选择 Explicit 模型作为当前的模型。使所有接下来的模型改 变成为 Explicit 模型。在 ABAQUS/Standard 分析中，在冲头和坯件之间模拟一个初始的缝隙以便于接触计算。在 ABAQUS/Explicit 分析中则不需要采取这种预防措施。因此，在 Assembly 模块中，沿 U2 方向平移冲头 m 。在警告对话框中出现的关于相对和绝对约束中，点击 Yes。在毛坯夹具上施加一个集中力，为了计算夹具的动态反应，必须在刚性体的参

25、考点上 赋予一个点质量。 夹具的实际质量是不重要的； 而重要的是它的质量必须与毛坯的质量 （ kg ） 具有同一个数量级， 以使在接触计算中的振荡最小化。 选择数值为 kg 的点质量。 在 Property 模块中，创建一个点的截面定义，命名为 Pointmass 。在 Edit Section 对话框的 Inertial Properties 域中，键入点质量的值。在参考点 RigidRefHolder 应用这个截面定义。此外，编 辑 Steel 材料定义来包括 7800 kg/m3 的质量密度。进入 Step 模块。你需要为 ABAQUS/Explicit 分析创建两个分析步。在第一个分析

26、步 中施加夹具力；在第二个分析步中施加冲头压下力。除了命名为 Establish Contact I 的分 析步之外，删除所有其他的分析步，并用一个单一的显式动态分析步替换这个分析步。键入 分析步描述为 Apply holder force ，并指定 s 的分析步时间。这个时间对于施加夹具载荷是适合的，因为它是足够长以避免了动态效果，而且又足够短以防止了对整个作业运行时间的 明显冲击。 将分析步重新命名为 Holder force 。创建第二个显式动态分析步， 命名为 Displace punch ，分析步的时间为，键入 Apply punch stroke 作为分析步的描述。为了帮助确定分析

27、是如何接近于准静态假设，研究各种能量的历史是非常有用的。特 别有用的是比较动能和内部应变能。能量历史默认地写入了输出数据库文件。在这个金属成型分析的第一次尝试中，对于施加的夹具力和冲头压力，你将应用具有 默认的光滑参数的表格形式的幅值曲线。 进入 Load 模块，为施加的夹具力创建一个名为 Ramp1 的表格形式的幅值曲线。在表 1 中输入幅值数据。为冲头压力定义第二个表格形式的幅值曲 线，命名为Ramp2在表2中输入幅值数据。在 Load Manager （载荷管理器）中，在命名为 Holder force 的分析步中创建一个集中力，命名为 RefHolderForce ，在施加的点上指定

28、RefHolder和一个沿着 CF2方向大小为 -440000 的力。对于这个载荷，改变幅值定义为 Ramp1。在 Boudary Condition Manager （边界条件管理器）中，删除命名为 MidLeftBC 和 MidRightBC 的边界条件。编辑 RefDieBC 边界条件，这样在 Holder force 分析 步中沿着 U2 方向的约束为零，不改变其他方向的约束。对于 RefHolderBC 边界条件，解除沿 着 U2 方向的约束，而其他方向的约束保持不变。在 Displace Punch 分析步中，改变位移边 界条件RefPunchBC，使沿着U2方向的位移为 m。对于

29、这个边界条件，应用幅值曲线 Ramp2监视自由度的值。在这个模型中，你将在整个分析步中监视冲头的参考节点的竖向位 移（自由度 2）。在 ABAQUS/Standard 成型分析中， 由于已经设置了 DOFMonitor 监视 RefPunch 的竖向位移，所以你无需做出任何改变。创建网格和定义作业。在网格 Mesh模块中，将用于剖分坯件网格的单元族改变为Explicit ，并指定增强沙漏控制，并剖分坯件网格。因为已经将工具模拟成了解析刚性表面， 因此无需将它们剖分网格。在 Job 模块中创建一个作业，命名为 Forming-1 ，给予作业如下的描述： Channel forming - att

30、empt 1 。在运行成型分析前，你可能希望知道该分析将需要多少个增量步，进而了解该分析需 要多少计算机时间。你可以通过运行数据检查（ data check ）分析来获得关于初始稳定时间 增量的近似值。在这个例题中，从一个增量步到下一个增量步的稳定时间增量不会有太大的 变化，因此知道了稳定时间增量，你可以确定完成成型阶段的分析需要多少个增量步。一旦分析开始，你就能够知道每一个增量步需要多少 CPU时间，进而知道整个分析需要多少 CPU时间。将模型保存到模型数据库文件中，并提交作业进行分析。监视求解过程；改正任何检 测到的模拟错误，并调查任何警告信息的原因。完成整个分析可能需要运行 10 分钟或

31、更长的时间。一旦分析开始运行，在另一个视图窗中会显示出你选择来监视（冲头的竖向位移）的 自由度值的 X-Y 曲线图。从主菜单栏中，选择 Viewport-Job Monitor: Forming-1 ，在分析运行的整个时间中跟踪沿着 2- 方向冲头位移的发展进程。评价结果的策略。在查看我们最关心的结果之前，诸如应力和变形形状，我们需要确 定结果是否是准静态的。一个好的方法是比较动能与内能的历史。在金属成型分析中，大部 分的内能是由于塑性变形产生的。在这个模型中，坯件是动能的主要因素（忽略夹具的运动，坯件没有与冲头和模具相关的质量）。为了确定是否已经获得了一个可接受的准静态解答， 的动能应该小于

32、其内能的几个百分点 。对于更高的精确度，特别地是对回弹应力感兴趣时，动能应该是更低的。这个方法是非常有用的，因为它应用于所有类型的金属成型过程，而且 不需要任何直观地理解在模型中的应力；许多成型过程可能是过于复杂，以至于不允许对结 果有一个直观的判断。虽然是衡量准静态分析的良好和重要的证明，仅凭动能与内能的比值还不足以确任解 的质量。你还必须对这两种能量进行独立地评估，以确定它们是否是合理的。当需要准确的 回弹应力结果时，这一部分的评估是更增加了重要性，因为一个高度精确的回弹应力解答是 高度地依赖于准确的塑性结果。即使动能是非常小的量，如果它包含了高度的振荡，则模型 也会经历显著的塑性。一般说来，我们希望光滑加载以产生光滑的结果；如果加载是光滑的， 但是能量的结果是振荡的，则结果可能是不合适的。由于一个能量的比值无法显示这种行为， 所以你也必须研究动能本身的历史以观察是否是光滑的还是振荡的。如果动能不能显示出准静态的行为，在某些节点上观察速度的历史可能是有用的，以